李小燕，周耀，劉春江

（佛山市陶瓷研究所，佛山 528031）

1 前言

通常意義上的陶瓷磚為硅酸鹽材質(zhì)，且一般經(jīng)過1000℃以上的高溫燒成。燒成的過程即是磚坯體形成足夠強度的過程，也是生產(chǎn)成本的主要組成部分。若能不經(jīng)過燒成就能制備出有足夠強度的陶瓷磚制品，則可以大大降低生產(chǎn)成本，即為免燒型陶瓷磚。目前，通常的免燒磚為水泥結(jié)合的制品，有緊密型、多孔型、發(fā)泡型等，但這些磚通常較厚。因為其抗折強度一般較低，為了達到使用的強度性能，只有增加其厚度。

有人研究非硅酸鹽水泥系列的免燒型陶瓷制品，其用磷酸、硅酸鈣、金屬氧化物等來制成發(fā)泡型和無泡的磷酸鹽陶瓷，用于建材和絕緣材料。但其彎曲強度和密度過低，不能承受較大重量。對于地磚來說，尤其需要有較高的強度和硬度。

本文采用Ca-Al-Mg-P-Si體系，制備免燒型磷酸鹽陶瓷磚，其具有高強、致密性高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，適合作高負載地磚使用。

2 實驗過程

2.1 實驗原料

本實驗所采用的原料有85%工業(yè)磷酸、MgO、硅灰石、硅灰石纖維、Al（OH）3、云母、蛭石、鈦白粉、各種色料等。

2.2 實驗工藝

免燒型磷酸鹽陶瓷磚的工藝流程如圖1所示。

圖1 免燒型磷酸鹽陶瓷磚的工藝流程

（1）配料混料次序

首先，配制反應物原料，包括酸溶液、硅灰石、MgO等，并進行混料；然后，再混入蛭石和云母；最后，再加入色料、裝飾性的顆粒，進行練泥。

在混料練泥的過程中，體系溫度最好不超過20℃，一方面可以減慢反應速度；一方面較低的溫度易于使?jié)窕旌衔锱艢?。練泥緊密后的泥團狀態(tài)有助于反應混合物獲得理想的成形效果，如：高強度、高密度、尺碼穩(wěn)定性等。

（2）成形

成形可用壓制或鑄模成形，混料時的低溫可延遲物料的固化過程。而在壓制或鑄模成形過程中可進行加熱，加速固化過程能縮短定形時間，加熱溫度為45～90℃。也可將成形磚坯進行加熱促進固化。

（3）裝飾

在壓制或鑄模成形時可運用浮雕裝飾，也可在已制成的磚上進行切割或用雕刻裝飾或通過鑲嵌插入一小片具有對比形態(tài)顏色或其它設計的坯料進行裝飾，這些具有對比效果的坯料、坯片可以在固化成磚之前的濕態(tài)混合物中加入進行壓制或鑄型，這樣固化之后就形成鑲嵌效果的磚。

2.3 翹曲度測試

由于是免燒型磚，磚體內(nèi)部結(jié)構(gòu)未經(jīng)過高溫燒結(jié)，接觸水后易吸濕發(fā)脹，從而導致變形彎曲。翹曲度指磚最大的一個平面（通常為底面）浸水后，磚邊緣遠離磚平面的距離。不考慮磚大小和表面形狀類型，一般翹曲度應≤20‰。對于以磚單位長度計算，翹曲度最大為磚長度每100 mm為6‰，磚尺寸越小，此值越大，而厚度越薄，翹曲值也會更高。

在測量翹曲度時，應將磚樣品放在事先已在水中濕透的水泥平板上，3 h后，再進行數(shù)據(jù)測量。

3 影響免燒型磷酸鹽陶瓷磚性能的因素

3.1 體系的組成對免燒型磷酸鹽陶瓷磚性能的影響

磷酸在室溫下有一定的粘性，本身即是耐火材料的一種免燒型結(jié)合劑。[PO4]3-、[HPO4]2-、[H2PO4]-三種酸根離子與多種金屬陽離子可形成鏈狀、網(wǎng)絡狀架構(gòu)，不需要高溫燒成就有很高的強度，從而可制作成免燒型陶瓷磚。陽離子一般為Al3+、Ca2+、Mg2+等，其對應的原料為Al(OH)3、硅灰石、MgO等，這些原料工業(yè)上容易得到，且成本不高。

對于采用磷酸鹽、Al(OH)3、硅灰石以及MgO等原料制備的陶瓷磚來說，使用起來有一個難題，就是陶瓷內(nèi)部易生長出水鎂石（Mg(OH)2）晶體。在接觸水時，此晶體更易產(chǎn)生，這種水鎂石晶體的存在和生長將使磚體膨脹。因此，當此磚單面浸水或兩面浸水不平衡時，有水面或水量更豐富的一側(cè)將產(chǎn)生更多的水鎂石，由此產(chǎn)生翹曲。實際使用時，難以平整進行鋪貼。

免燒型陶瓷磚很難做到接近于0%的孔隙率，制品的孔隙率過高時，更易吸水、吸濕，從而產(chǎn)生更多的水鎂石。孔隙率越低，越能對抗高濕度的環(huán)境。同時，其抗彎曲強度也更高。一般適宜的孔隙率為≤7%。

另外，在一方面降低孔隙率；一方面保證結(jié)合強度的情況下，使用盡可能少的MgO，可以明顯減少水鎂石的生成。本文所使用的MgO最佳含量為2%～4%。

磚體加厚可減小翹曲度，但將使磚加重，成本升高，失去應用優(yōu)勢。因此，當保證磚體厚度在6～8 mm時，翹曲度會保證在一個較低的范圍內(nèi)。

3.2 原料的組成對免燒型陶瓷磚性能的影響

本文采用的原料組成：磷酸-磷酸鋁溶液 30%～50%、硅灰石為40%～60%、MgO為2%～6%、蛭石和云母為5%～20%。其中，CaSiO3/MgO的重量比為16:1～5:1，最佳為8:1～12:1。蛭石和云母礦物為促凝劑，在低水含量的混合物中加入蛭石和云母促凝劑，可明顯提高制品的彎曲強度。

蛭石和云母顆粒大小范圍為30 μm～2 mm。實驗表明，顆粒尺寸＞0.5 mm時，強度下降；顆粒尺寸＜40 μm時，坯體易開裂；當顆粒尺寸為40～50 μm時，陶瓷磚性能較好。

為了提高強度，可以使用纖維作為填料，但不能過量添加。試驗發(fā)現(xiàn)，當使用纖維增強時，制備過程中纖維易定向排列，導致產(chǎn)品僅在纖維方向得到增強。而使用云母和蛭石則是在所有方向都得到增強，同時，纖維也易團聚，不易分散。使用時，選擇纖維最大平均長度為5～6 mm，最大平均徑長比＜20%，加入量需＜10%。

在實際使用時，可選用玻璃纖維和硅灰石纖維，最好用硅灰石纖維，硅灰石纖維比硅灰石礦物原料反應活性低，在反應物中將保持完整，從而起到增強增韌的作用，加入量為3%～8%較佳。

3.3 成形工藝對免燒型陶瓷磚性能的影響

這種磚可制成各種適宜的尺寸和形態(tài)，磚的厚度將因磚的用途而受到影響。如：地磚需要承重、耐磨等。一般厚度范圍為6～30 mm，對于承重的地磚一般為10～30 mm，無承重磚為6～10 mm。

磚的長度和寬度可根據(jù)實際需要進行設計，甚至可以為任意尺寸大小。一般大小范圍為100～800 mm，可根據(jù)需要做成特殊形狀，可在成形時一次完成，也可在固化后進行后加工處理。表1為壓制成形和鑄模成形兩種工藝得到的磷酸鹽陶瓷磚的性能參數(shù)。

由表1可以看出，采用壓制成形法所生產(chǎn)的免燒型磷酸鹽陶瓷磚的性能比鑄模成形的要優(yōu)越，且翹曲度明顯比鑄模成形的要低。因此，采用壓制成形法比鑄模成形法要好。

表1 不同成形方法得到磷酸鹽陶瓷磚的性能參數(shù)

4 結(jié)論

（1）本文采用Ca-Al-Mg-P-Si體系制備免燒型磷酸鹽陶瓷磚，其配方組成為：磷酸-磷酸鋁溶液為 30%～50%、硅灰石為40%～60%、MgO為2%～6%、蛭石和云母為5%～20%時較佳。

（2）當蛭石和云母顆粒尺寸為40～50 μm時，陶瓷磚性能較好。

（3）硅灰石纖維的加入量為3%～8%時較佳。

（4）當磚體厚度在6～8 mm時，翹曲度會保證在一個較低的范圍內(nèi)。

（5）采用壓制成形法比鑄模成形法要好。